JP4023949B2

JP4023949B2 - 還元炎形成用バーナー

Info

Publication number: JP4023949B2
Application number: JP08457899A
Authority: JP
Inventors: 尊矢嶋; 新一三宅; 公夫飯野; 伸吾村上
Original assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Current assignee: Taiyo Nippon Sanso Corp
Priority date: 1999-03-26
Filing date: 1999-03-26
Publication date: 2007-12-19
Anticipated expiration: 2019-03-26
Also published as: JP2000274619A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、還元炎形成用バーナーに関し、詳しくは、還元性雰囲気を必要とする工業炉や廃棄物処理炉での加熱処理、溶融処理等に使用する還元炎形成用バーナーに関する。
【０００２】
【従来の技術】
燃料と酸化剤とを噴出させて燃焼させるバーナーは、各種工業炉等で多く利用されており、特に、酸化剤として酸素を使用した酸素バーナーは、酸化剤として空気を用いた空気バーナーに比べて高温の火炎が得られることや、排ガス量が少ないことから、例えば、アルミナ等の耐火物の焼成、ガラスやアルミナセメント等の溶融、ＰＣＢ（ポリ塩化ビフェニール）等の難燃物の焼却、鉄，銅，アルミニウム等の金属の溶融、その他の各種加熱処理に幅広く用いられている。
【０００３】
このような通常のバーナーにおける燃焼は、すす（未燃カーボン）の発生を抑制するため、燃料に対する酸素比を１．０以上としているので、火炎中には未反応の酸素が残留することになり、酸化性雰囲気が形成されるのが普通である。
【０００４】
一方、酸化されやすい金属や金属酸化物の溶融処理を行う場合は、酸化を抑制するために還元性雰囲気で加熱することが望ましい。酸素バーナーにおいては、燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させ、火炎中に還元性物質である水素や一酸化炭素を発生させえることにより、還元性雰囲気を形成することができる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、単に酸素比を１．０未満として燃焼させると、すすが大量に発生することになり、バーナーや炉壁に付着して閉塞等の問題を引き起こしたり、溶融物中にカーボンが混入して溶融物の性状を変化させてしまう不都合が発生したりする。さらに、すすが発生することによって火炎の温度が低下し、溶融や燃焼の処理効率を低下させてしまうことにもなる。
【０００６】
また、燃料及び酸化剤に加えて水蒸気や二酸化炭素をバーナーから噴出させることにより、すすの発生を抑制することはできるが、水蒸気や二酸化炭素等の燃焼に寄与しない物質の存在によって火炎温度が低下してしまうため、加熱効率の低下は避けることができない。
【０００７】
そこで本発明は、すすの発生を抑制しながら還元性雰囲気を形成することができる還元炎形成用バーナーを提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明の還元炎形成用バーナーは、燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより還元炎を形成するバーナーであって、バーナー中心軸を中心とした円周上に、バーナー中心軸と平行に燃料を噴出する燃料ノズルを円環状に設けるとともに、該燃料ノズルを包囲する同心円上で、かつ、燃料ノズルに対して軸線方向同一位置あるいは燃料ノズルより突出した位置に、バーナー中心軸延長線上に焦点を持つように酸化剤を噴出する酸化剤ノズルを円環状に設けたことを特徴とし、特に、前記酸化剤を、燃料の噴出速度以上の速度で噴出させることを特徴としている。
【０００９】
【発明の実施の形態】
図１は、本発明の還元炎形成用バーナーの一形態例を示す断面図である。この還元炎形成用バーナー１０は、バーナー中心軸１１を軸線として噴出方向が拡がった円錐台状の燃焼室１２に、燃料を噴出する燃料ノズル１３と、酸化剤、例えば酸素を噴出する酸化剤ノズル１４とを設けたものである。
【００１０】
燃料ノズル１３は、バーナー中心軸１１を中心とした円周上に円環状に設けられており、燃料の噴出方向１５は、バーナー中心軸１１と平行になるように設定されている。
【００１１】
また、酸化剤ノズル１４は、燃料ノズル１３の外周を包囲するように設けられるものであって、燃料ノズル１３に対して同心円上に、すなわち、バーナー中心軸１１を中心とし、燃料ノズル１３より大径の円周上に円環状に設けられている。酸化剤ノズル１４の酸化剤の噴出方向１６は、バーナー中心軸１１の延長線上に焦点１７を持つように内側に向いており、この酸化剤ノズル１４から噴出した酸化剤で、燃料ノズル１３から噴出した燃料を包み込むことができるように形成されている。
【００１２】
なお、バーナー外周には、バーナー１０を高温の環境から保護するための水冷ジャケット１８が設けられており、この水冷ジャケット１８の内周側に、燃料や酸化剤の通路１３ａ，１４ａが形成されている。
【００１３】
このように形成したバーナー１０において、燃料ノズル１３から噴出した燃料は、酸化剤ノズル１４から噴出した酸化剤、例えば酸素と反応して燃焼し、この燃焼による発熱によって高温の領域が形成される。このとき、燃料と酸素との界面では、局所的に完全燃焼が発生して二酸化炭素や水蒸気が生成されるとともに、燃料に対する酸素比が１．０未満に設定されていることから、余剰な燃料から多量のすすが生成される。
【００１４】
生成したすすは、酸素あるいは完全燃焼で生成した二酸化炭素や水蒸気と高温状態で接触することによってこれらと反応し、炭素原子２個と１分子の酸素とが反応すれば２分子の一酸化炭素が生成し、炭素原子１個と１分子の二酸化炭素とが反応すれば２分子の一酸化炭素が生成し、炭素原子１個と１分子の水蒸気とが反応すれば一酸化炭素と水素とが１分子ずつ生成する。
【００１５】
そして、燃料ノズル１３と酸化剤ノズル１４とを前述のように配置することにより、酸化剤ノズル１４から噴出した酸素で燃料ノズル１３から噴出した燃料を包み込む遮蔽層を形成することができる。この遮蔽層は、燃料が酸素と接触することなく単体でバーナー前方の高温領域に飛び出し、熱分解してすすを発生することを防止する。すなわち、この遮蔽層は、燃料と酸素との界面で生成したすすを、そのままバーナー前方に飛び出させることなく、燃料と酸素との界面での局所的な完全燃焼によって生成した二酸化炭素や水蒸気と共に燃焼領域に閉じ込め、これらを燃焼領域で混合して反応させ、前述のように一酸化炭素や水素を生成させる。したがって、このバーナー１０での燃焼によって得られる生成ガスは、すすをほとんど含まず、一酸化炭素や水素を含む還元性のものとなる。
【００１６】
上述のような燃焼形態は、バーナー径やノズル形状、燃料の種類、酸化剤の酸素濃度、還元性雰囲気の条件（一酸化炭素や水素の含有量、すすの許容量）等に応じて実験等によって最適な状態を選択することによって形成されるものであるが、一般的には、酸化剤ノズル１４から噴出する酸化剤の噴出速度を、燃料ノズル１３から噴出する燃料の噴出速度よりも高速にすることにより、前記遮蔽層を効果的に作り出すことができる。この燃料の噴出速度に対する酸化剤の噴出速度の比（速度比）は、条件によって異なり、通常は、燃料の噴出速度に対する酸化剤の噴出速度が０．８以上であればすすの発生を抑えることができるが、燃料の噴出速度に対する酸化剤の噴出速度を１．０〜１．４程度にすることが好ましい。但し、速度比を高くし過ぎると、遊離酸素（未反応の酸素）が発生したり、正常な燃焼状態が得られなくなったりすることがある。
【００１７】
また、燃料ノズル１３を酸化剤ノズル１４の近傍に配置することにより、酸化剤ノズル１４から噴出する酸素の噴流中に効率よく燃料を吸引することができ、燃焼反応を促進させることができる。さらに、燃料ノズル１３及び酸化剤ノズル１４は、図１に示すような小通孔で形成する場合は、できるだけ間隔を狭めて円形に近くなるように配置することが好ましい。また、径の異なる管体とスペーサーとを組合わせてノズル１３，１４を連続したスリットからなるリング状に形成することにより、燃料と酸素とを均等に接触させることができるので、より効果的な燃焼反応を得ることができる。
【００１８】
さらに、燃料ノズル１３と酸化剤ノズル１４とのバーナー軸線方向の位置は、燃料ノズル１３が酸化剤ノズル１４より前方に突出していると、燃料ノズル１３から噴出した燃料が酸化剤の遮蔽層を突き抜け易くなるので、酸化剤ノズル１４を前方に位置させておくべきである。したがって、必然的に図１に示すような燃焼室形状になるが、円錐台における広がり角度は任意であり、平面に近くなっていてもよい。
【００１９】
また、燃料と酸化剤との量は、燃料の種類によって異なり、燃料中の炭素を一酸化炭素に変換できる酸素量以上で、燃料に対する酸素比が１．０未満であれば、上述の燃焼反応により、すすの少ない還元性雰囲気を形成することはできる。しかし、一般に、酸素比が低い程、一酸化炭素や水素の含有量は増加するが、火炎の温度が下がり、反応が実現し難くなる。したがって、例えば燃料がプロパン（Ｃ_３Ｈ_８）の場合は、酸素比を０．３〜０．６の範囲、好ましくは０．４５程度に設定することにより、反応を起こすのに十分な火炎の温度と、一酸化炭素や水素の含有量が多い強還元性雰囲気を形成することができる。
【００２０】
酸化剤ノズル１４における前記焦点１７の位置も各種条件によって異なるが、バーナー径（酸化剤ノズル１４配置部の径）と同程度の距離、バーナー中心軸に対する角度は４５度程度が適切であり、焦点１７が遠過ぎる燃焼反応が緩慢になり、焦点１７が近過ぎると、酸化剤の噴流同士が激しく衝突する状態になるため、ガス流れに乱れが発生して燃焼が不均一となることがあり、燃焼反応に悪影響を及ぼすことがある。また、燃料の噴出方向は、実質的にバーナー中心軸と平行であればよく、僅かに外方に向いていたり、内方に向いていたりしてもよい。
【００２１】
燃料は、ＬＰＧ，ＬＮＧ，ブタンのような気体燃料が好適であるが、灯油，重油，軽油等の液体燃料、微粉炭のような固体燃料、あるいはこれらの混合物を使用することができる。また、酸化剤としては、高温領域を効率よく形成できる点から酸素ガスを用いることが最適であるが、酸素濃度８０％程度の酸素富化ガスを用いてもよく、炉の運転条件等によっては空気を用いることも可能である。さらに、この還元炎形成用バーナーは、一酸化炭素や水素を必要とする用途にも用いることができる。
【００２２】
【実施例】
図１に示す構造の還元炎形成用バーナーを使用した。この還元炎形成用バーナーは、バーナー径（水冷ジャケット内径）が７０ｍｍであり、燃焼室の開き角度は約６０度である。燃料ノズルは、バーナー中心軸を中心とした直径３４ｍｍの円周上に等間隔に８個を設置した。酸化剤ノズルは、噴出方向をバーナー中心軸に対して４５度の角度に設定し、バーナー中心軸を中心とした直径５３．４ｍｍの円周上に等間隔に２４個を設置した。
【００２３】
この還元炎形成用バーナー１０を、図２に示すようにして実験炉２１に設置し、対向面にはサンプリングプローブ２２を設けて炉内で生成したガスをサンプリングした。
【００２４】
燃料としてはＬＰＧを使用して毎分１６７リットル（１０ｍ^３／ｈ）で供給し、酸化剤としては純度９９．８％の酸素ガスを使用した。そして、両ノズルからの噴出速度を同等とし、ノズル径を変えることにより酸素ガス量を変化させ、酸素比を１．０〜０．４として燃焼させた。各酸素比におけるすすの発生量（すす発生量：投入した燃料中に含まれるカーボンに対するサンプリングで実測された未撚カーボン量を百分率で表わしたもの）と、各酸素比における一酸化炭素及び水素の発生量（ＣＯ＋Ｈ_２濃度：生成ガス中の一酸化炭素及び水素の合計含有量［％］）とを図３に示す。なお、酸素比０．４のときの火炎温度は１９８８℃であった。
【００２５】
実施例２
実施例１と同様の構造の還元炎形成用バーナーを使用し、燃料のＬＰＧに対する酸素比を０．４に固定してノズル径を変えることにより酸素ガスの噴出速度を変化させ、速度比（酸化剤の噴出速度／燃料の噴出速度）を０．４〜１．２として燃焼させた。実施例１と同様にしてすすの発生量と一酸化炭素及び水素の発生量とを測定した。その結果を図４に示す。
【００２６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の還元炎形成用バーナーによれば、火炎温度の低下を最小限とし、すすの発生を抑えながら高濃度で一酸化炭素や水素を含む還元性雰囲気を形成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の還元炎形成用バーナーの一形態例を示す断面図である。
【図２】実施例で使用した実験炉の断面図である。
【図３】実施例１における酸素比とすすの発生量及び一酸化炭素及び水素の発生量との関係を示す図である。
【図４】実施例２における酸素比とすすの発生量及び一酸化炭素及び水素の発生量との関係を示す図である。
【符号の説明】
１０…還元炎形成用バーナー、１１…バーナー中心軸、１２…燃焼室、１３…燃料ノズル、１４…酸化剤ノズル、１５…燃料の噴出方向、１６…酸化剤の噴出方向、１７…焦点、１８…水冷ジャケット、２１…実験炉、２２…サンプリングプローブ

Claims

燃料に対する酸素比を１．０未満として燃焼させることにより還元炎を形成するバーナーであって、バーナー中心軸を中心とした円周上に、バーナー中心軸と平行に燃料を噴出する燃料ノズルを円環状に設けるとともに、該燃料ノズルを包囲する同心円上で、かつ、燃料ノズルに対して軸線方向同一位置あるいは燃料ノズルより突出した位置に、バーナー中心軸延長線上に焦点を持つように酸化剤を噴出する酸化剤ノズルを円環状に設けたことを特徴とする還元炎形成用バーナー。
前記酸化剤は、前記燃料の噴出速度以上の速度で噴出することを特徴とする請求項１記載の還元炎形成用バーナー。